DE3731309A1

DE3731309A1 - Oberflaechenwellenanordnung mit konversionsstruktur zur vermeidung unerwuenschter reflektierter wellen

Info

Publication number: DE3731309A1
Application number: DE19873731309
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl Ing Fleischmann; Gerd Dr Riha
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-09-17
Filing date: 1987-09-17
Publication date: 1989-03-30
Also published as: EP0386009B1; EP0386009A1; DE3880690D1; WO1989002675A1; JPH03500355A; US5126706A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Oberflächen wellenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Oberflächenwellenanordnungen mit Wandler- und/oder Reflektor strukturen auf piezoelektrischem Substratkörper sind hin länglich bekannt.

Es ist üblich, zur Vermeidung von Störungen, hervorgerufen durch an den Kanten des Substratkörpers reflektierten Oberflächen wellen, die Kanten bzw. Stirnflächen des Substratkörpers und die diesen Kanten benachbarten Oberflächenbereiche desselben mit einem akustisch unelastischen, d.h. dämpfenden Material, zu be schichten. Ein solches Material dient als Sumpf für Oberflächen wellen. In einen solchen Sumpf hineinlaufende Oberflächen wellen werden dort absorbierend gedämpft und werden insbe sondere nicht wieder reflektiert. Dieser Wegfall einer Reflexion bewirkt, daß die gewollte Oberflächenwellen-Ausbreitung in vorgesehener Weise erfolgt.

Obwohl diese Methode vom Standpunkt der Wellenausbreitung gesehen ein an sich zufriedenstellendes Ergebnis liefert, sind mit einer solchen Maßnahme dennoch Nachteile verbunden. Das Material für einen solchen Sumpf ist in der Regel organisches Material, das nicht frei von Kontaminationswirkung auf die übrige Substratoberfläche ist. Selbst geringe Kontaminationen der Substratoberfläche im Bereich der vorgesehenen Oberflächen wellenausbreitung kann aber zu ganz gravierenden Störungen führen, und zwar insbesondere deshalb, weil zum einen ein solcher Sumpf eine relativ große Oberfläche eines solchen organischen Materials darstellt und zum anderen dieses Material dicht benachbart den kontaminationsfrei zu haltenden Ober flächenbereichen des Substratkörpers ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Maßnahme zur Vermeidung des Entstehens solcher reflektierter Oberflächen wellen zu finden, die in Oberflächenbereichen des Substrat körpers auftreten, wo das Auftreten von Oberflächenwellen an sich nicht erwünscht ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er findung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, wenigstens nach Möglichkeit die an sich bekannte Verwendung eines Sumpfes aus organischem Material zu vermeiden oder zumindest die nach dem Stand der Technik zur Erzielung dieser Wirkung bekanntermaßen verwendete Menge solchen Materials ganz erheblich zu vermindern. Die dazu angestellten Überlegungen führten zu dem Gedanken, bereits von einem ganz anderen Prinzip auszugehen. Das der Erfindung zugrundeliegende andere Prinzip ist, anstelle der unelastischen Störung solcher Oberflächen wellen im Prinzip das Gegenteil vorzusehen, nämlich elastische Störung solcher Wellen auszunutzen, jedoch mit dem Zusatz, eine solche unerwünschte Oberflächenwelle in eine andere Form zu konvertieren. Vorzugsweise ist dies die Form der Volumenwelle. Das Auftreten von Volumenwellen ist jedoch an sich äußerst uner wünscht und bei der vorliegenden Erfindung sind die Maßnahmen so getroffen, daß die mit der Konversion bewußt erzeugten Volumen wellen im Substratkörper eine solche Richtung bzw. eine solche Ausbreitung annehmen, daß sie für den wirksamen Oberflächen wellen-Ausbreitungsbereich der Wandler- und/oder Reflektor strukturen keinen Nachteil hervorrufen können. Insbesondere ist dazu vorgesehen, die in Volumenwellen konvertierten Ober flächenwellen als solche Volumenwellen in einem derartigen Winkel von der Substratoberfläche weggerichtet verlaufen zu lassen, daß diese Volumenwellen insbesondere in den Bereich des unelastisch dämpfenden Klebstoffes gelangen, mit dem der Substratkörper üblicherweise an der Unterlage bzw. im Gehäuse befestigt ist.

Der Hinweis auf diesen Klebstoff ist ein nur scheinbarer Widerspruch zu den obigen Ausführungen zu dem organischen Material eines Sumpfes. Solches den Substratkörper mit der Unterlage verbindendes Klebstoffmaterial befindet sich zum einen ausschließlich auf der Rückseite des Substratkörpers. Nahezu das gesamte Klebstoffmaterial ist durch diese rückseitige Oberfläche des Substratkörpers und die Auflagefläche im Gehäuse diffusions dicht abgedeckt. Einzig und allein die außerordentlich schmalen Ränder stehen mit der Gehäuse-Innenatmosphäre in direktem Kontakt.

Die voranstehenden Ausführungen sind aber kein Widerspruch zu der zu bevorzugenden Ausführungsform, bei der der Substrat körper mittels anderer Verbindung als der Verwendung eines Klebstoffes im Gehäuse gehaltert ist. In einem solchen Falle verläuft die Energie der Volumenwelle in dem Substratkörper und verliert ihre Energie bei vielfachen Reflexionen an dessen Begrenzungsflächen. Auch damit wird das Ziel der Erfindung erreicht.

Eine erfindungsgemäß angewendete Konversionsstruktur ist z.B. eine auf der Oberfläche des Substratkörpers, nämlich in den Oberflächenbereichen, in denen das Auftreten von Oberflächen wellen an sich ohnehin unerwünscht ist, erhabene Struktur. Diese Struktur kann z.B. aus auf die Oberfläche aufgebrachtem Material wie Metall, jedoch auch Siliziumdioxid und ähnlicher Stoff, sein. Im Gegensatz dazu können auch vertiefte, z.B. einge ätzte Strukturen als Oberflächenstörung des Substratkörpers vorgesehen sein. Vorzugsweise besteht eine solche Konversions struktur aus Fingerstreifen, z.B. aus Metall, wie sie z.B. für Reflektorstrukturen einer Oberflächenwellenanordnung benutzt werden. Im wesentlichen läßt man solche Streifen orthogonal oder schräg zur Wellenausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen in der Wandler- und/oder Reflektorstruktur verlaufen. Solche Streifen können auch gekrümmt sein. Es bedarf auch nicht zwingend eines durchgehenden Streifens. Vielmehr können die einzelnen Streifen Unterbrechungen aufweisen, so daß solche Streifen z.B. in dots aufgelöste linienförmige Strukturen sind. Die Streifen selbst können äquidistant, periodisch verteilt und/oder gemäß einer Zufallsverteilung verteilt angeordnet sein. Äquidistante Verteilung ist leicht übersichtlich. Periodische Verteilung hat den Vorzug der Übersichtlichkeit eines erfaßten Frequenzbereiches zu bieten. Zufallsverteilung begünstigt die Vermeidung von unerwünschterweise auftretenden singulären Stellen.

Weitere Erläuterungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zu Figuren für Ausführungsbeispiele der Erfindung hervor.

Nach weiterer Erläuterung gehen aus der nachfolgenden Be schreibung zu Figuren vier Ausführungsbeispiele der Erfindung hervor.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Oberflächenwellenanordnung mit einer ersten Art einer Konversionsstruktur,

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform mit einer zweiten Art einer Konversionsstruktur,

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform mit einer dritten Art einer Konversionsstruktur und

Fig. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung zur weiteren Erläuterung.

In Fig. 1 ist mit 2 der übliche Substratkörper einer Ober flächenwellenanordnung bezeichnet. Dieser Substratkörper 2 be sitzt die seitlichen Flächen 3 und 4 und die wie üblich abge schrägt ausgebildete endständige Stirnfläche 5. Von diesen Flächen 3, 4 und 5 sind jeweils nur die Kanten am Rande der Oberfläche des Substratkörpers 2 in der Aufsicht der Fig. 1 zu sehen. Mit 11 ist eine auf dem Substratkörper vorhandene üb liche Wandlerstruktur bezeichnet, und zwar diejenige Wandler struktur, die dem in der Fig. 1 dargestellten rechten Ende des Substratkörpers am nächsten ist. Eine in der angegebenen Rich tung x aus dem Wandler 11 auf die Stirnfläche 5 zulaufende Ober flächenwelle SAW würde Reflexion an diesem Ende des Substrat körpers 2 erfahren. Durch die Schrägrichtung der Stirnfläche 5 wird zwar der Störeinfluß der Reflexion stark minimiert, jedoch durch Vielfachreflexionen gelangt dennoch ein gewisser Anteil in Richtung x aus dem Wandler 11 ausgetretene Oberflächenwellen energie in die Oberflächenwellenanordnung wieder zurück.

Erfindungsgemäß ist die Konversionsstruktur 12 vorgesehen, die wie dargestellt, streifenförmig ausgeführt ist und aus für die akustische Oberflächenwelle SAW wirksamen Störungen in/auf der Oberfläche des Substratkörpers 2 besteht. Zum Beispiel können diese Streifen 13 Metallisierungsstreifen sein, wie sie auch für die Finger des Wandlers 11 verwendet werden. Es können dies aber auch Streifen 13 aus aufgebrachtem Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und dgl. sein. Anstelle solcher auf der Oberfläche erhabener Strukturen können solche Streifen auch in die Oberfläche des Substratkörpers 2 eingeätzte Rillen, Gräben oder dgl. sein. Eine solche Konversionsstruktur 12 besteht aus einer Vielzahl be nachbart im Abstand voneinander, nebeneinander verlaufender Streifen, obwohl in der Fig. 1 nur eine Anzahl solcher Strei fen dargestellt sind. Mit 113 ist eine besondere Streifenform angedeutet, die aus derart in Längsrichtung unterbrochenen Streifen besteht, daß solche Streifen in wie dargestellten Folgen von dots aufgelöst ist. Insbesondere können diese dots in Richtung der Streifen, und zwar benachbarte Streifen mitein ander verglichen, gegeneinander verteilt angeordnet sein.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind die Streifen 13, 113 im wesentlichen orthogonal zur Ausbreitungsrichtung x der Ober flächenwelle SAW ausgerichtet.

Die Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Ausführungsform mit Bezugszeichen, die soweit sie schon zur Fig. 1 beschrieben sind, auch in Fig. 2 die gleiche Bedeutung haben. Die Konver sionsstruktur 22 besteht bei der Ausführungsform nach Fig. 2 aus Streifen 13, die hier jedoch schräg zur Wellenausbreitungs richtung x orientiert sind. Auch für die Ausführungsform nach Fig. 2 können diese Streifen durch dot-Folgen 113 realisiert sein.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform mit gekrümmt aus geführten Streifen 213 der Konversionsstruktur 32. Auch die Konversionsstruktur 32 kann aus jeweiligen dot-Folgen bestehen, wie dies bereits zu den vorangehenden Ausführungsformen er läutert ist.

Die Fig. 4 dient dazu, dem Fachmann die Dimensionierung einer erfindungsgemäß vorgesehenen Konversionsstruktur zu erleichtern.

Die Fig. 4 ist eine Seitenansicht, in der die erhabenen Streifen 13, z.B. Metallisierungsstreifen, im Querschnitt dar gestellt sind. Zwei Finger 111 der Wandlerstruktur 11 sind zu sätzlich dargestellt.

Eine aus dem Wandler 11 in der Oberfläche in Richtung x ver laufende Oberflächenwelle SAW wird durch die Streifen 13 der Konversionsstruktur 12 gestört. Man kann sich diese Störung so vorstellen, daß an jeweils einer Kante H eines jeden Streifens 13 eine Zylinderwelle in den den unteren Halbraum bildenden Substratkörper 2 ausgesandt wird. Aufgrund der Längserstreckung der Streifen 13 ergibt sich eine Zylindersymmetrie für eine solche Wellenerzeugung. Eine solche Wellenerzeugung erfolgt an jedem einzelnen Streifen 13. Bei angenommen äquidistanter Periodizität P der Anordnung der Streifen 13 auf der Oberfläche des Substratkörpers 2 ergibt sich ein Interferenzverhalten der an den Kanten der jeweiligen Streifen 13 gestörten Oberflächen welle, so daß eine Welle entsteht, die durch den Vektor v _ß repräsentiert ist. Bei einer solchen mit 40 angedeuteten Welle handelt es sich um eine Volumenwelle im Substratkörper 2, die von der Oberflächenwelle SAW, nämlich wegen des Vorhandenseins dieser Oberflächenstörungen, erzeugt worden ist. Die Energie dieser Volumenwelle 40 rührt aus der Energie der SAW-Welle her, so daß die SAW-Welle entsprechend der erfindungsgemäß vorge sehenen Konversion zum Verschwinden gebracht werden kann.

Man sieht, daß in den von den Konversionsstrukturen 12, 22, 32 eingenommenen Bereichen, in denen bei der jeweiligen Ober flächenwellenanordnung das Auftreten einer Oberflächenwelle SAW an sich unerwünscht ist, die Energie dieser Oberflächenwelle erfindungsgemäß in die Energie einer Volumenwelle transformiert wird. Entsprechend dem bei der Erfindung genutzten Interferenz prinzip erhält man optimale Konversion dann, wenn die Abmessung der Periodizität P angepaßt ist. Hierfür ist die nachfolgende Gleichung

die Basis, wobei f die jeweils untere Frequenzgrenze des vor gesehenen Übertragungsbandes der betreffenden Oberflächen wellenanordnung ist und worin v _SAW die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle SAW im Material des Substratkörpers ist und v _max die Geschwindigkeit der Volumenwelle ist, und zwar des jenigen Wellenmodes, der die höchste Schallgeschwindigkeit im Material des Substratkörpers 2 hat.

Die Fig. 4 zeigt wie eine Volumenwelle 40 im Winkel β zur Oberfläche durch den Substratkörper 2 zu der unteren Oberfläche 41 des an sich relativ dünnen Substratkörpers 2 gelangt. Von dort kann ein Energieanteil der Volumenwelle 40 in die Klebstoffschicht 42 gelangen, mit der der Substratkörper 2 auf der Unterlage 43 des Gehäuses angeklebt ist. Eine Ausgestaltung der Erfindung ist, äquidistante Abmessung P vorzusehen. Wie gesagt handelt es sich dabei um eine Struktur 12, die unter Berücksichtigung des Winkels β der Periodizität der Wellenausbreitung der Volumenwelle 40 entspricht, und zwar der Welle 40 mit derjenigen Frequenz f, die durch die SAW-Welle der Wandlerstruktur 11 vorgegeben ist.

Es kann von Vorteil sein, anstelle äquidistanter Abmessung P hierfür solche Werte zu nehmen, die zwar nahe dem Wert P liegen, die aber einer periodischen Verteilung entsprechen, die um den errechneten Wert P herum liegen. Es handelt sich sozusagen um eine Modulation des errechneten Wertes p. Von Bedeutung ist eine solche Maßnahme insbesondere für breitbandigere Oberflächen wellenanordnungen. Anstelle einer periodischen Verteilung einer solchen "Modulation" können die Werte P ± P auch gemäß einer Zufallsverteilung verteilt sein.

Claims

1. Oberflächenwellenanordnung mit Wandler und/oder Reflektorstruktur auf einem piezoelektri schen Substratkörper und mit Maßnahmen zur Vermeidung des Auftretens ansonsten an den Kanten des Substratkörpers reflektierter Oberflächenwellen, gekennzeichnet dadurch, daß als eine solche Maßnahme eine Konversionsstruktur (12, 22, 32) in einem solchen Oberflächenbereich des Substratkörpers vorgesehen ist, in dem das Auftreten einer Oberflächenwelle unerwünscht ist.

2. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Konversionsstruktur (12, 22, 32) eine für akustische Wellen wirksame Störung in/auf der Oberfläche des Substrat körpers ist.

3. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch , daß die Konversionsstruktur (12, 22, 32) aus auf die Oberfläche des Substratkörpers strukturiert aufgebrachtem Material besteht.

4. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß dieses Material elektrisch nichtleitend ist.

5. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, daß dieses Material ein Metalloxid ist.

6. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Material Metall ist.

7. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Konversionsstruktur eine in die Oberfläche einge arbeitete, vertiefte Struktur ist.

8. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß die vertiefte Struktur eine Ätzstruktur ist.

9. Oberflächenwellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch , daß die Konversionsstruktur (12, 22, 32) aus einer Anzahl benachbart im Abstand voneinander nebeneinander verlaufender Streifen (13, 113) besteht.

10. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Streifen im wesentlichen orthogonal zur Wellenfort pflanzungsrichtung der Wandler- und/oder Reflektorstruktur aus gerichtet sind (Fig. 1).

11. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Streifen im wesentlichen schräg zur Wellenfort pflanzungsrichtung der Wandler- und/oder Reflektorstruktur aus gerichtet sind (Fig. 2).

12. Oberflächenwellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Streifen (213) gekrümmt verlaufende Form besitzen (Fig. 3).

13. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 9, 10 oder 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Streifen (113) Unterbrechungen haben, so daß in Streifenrichtung aufeinanderfolgend dots vorhanden sind (Fig. 1, 3).

14. Oberflächenwellenanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet dadurch , daß die Streifen äquidistant zueinander angeordnet sind.

15. Oberflächenwellenanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß die Streifen in periodisch verteilten Abständen vonein ander angeordnet sind.

16. Oberflächenwellenanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstände der Streifen voneinander gemäß einer Zufalls verteilung gewählt sind.